4.2.1 Pré-tratamento ácido
No pré-tratamento ácido foi utilizado um planejamento experimental fatorial 2² com três pontos centrais. Na Tabela 7 estão expressos os resultados das medias das concentrações de xilose obtidas durante os ensaios.
Tabela 7: Matriz de planejamento experimental do pré-tratamento ácido da fibra de sisal Exp. Concentração (%) Temperatura (ºC) Xilose (g/L) Glicose (g/L) Furfural (g/L)
1 -1 -1 2,976 0,020 0,093 2 +1 -1 10,960 0,876 0,365 3 -1 +1 12,408 1,306 0,720 4 +1 +1 13,145 3,455 1,914 5 0 0 11,092 1,362 0,269 6 0 0 12,644 1,703 0,860 7 0 0 11,102 1,056 0,347
Segundo os dados da Tabela 7, a condição onde a solubilização de xilose apresentou maior concentração foi a de maior concentração de ácido sulfúrico (2,5%) e maior temperatura (120 ºC) com 13,145 g/L. A Tabela 7 não apresenta os valores dos inibidores ácido acético e HMF devido não ter sido constatado a presença de nenhum deles na análise de cromatografia liquida (CLAE). Realizando a análise estatística da matriz de planejamento foi obtido o diagrama de Pareto, Figura 23.
Figura 23 – Diagrama de Pareto do planejamento experimental da fibra de sisal
Verifica-se que as variáveis de entrada C (%) e T (ºC) são estatisticamente significativas, ou seja, influenciam para o aumento da concentração de xilose, porém a interação entre elas não contribuiu significativamente para a remoção de xilose presente na fibra de sisal. Para a análise foi considerado um intervalor de confiança de 95%.
A Tabela 8 corresponde a análise de variância (ANOVA) utilizada para comprovar a significância estatística do modelo utilizado para concentração de xilose.
Tabela 8: Análise de variância (ANOVA) para o pré-tratamento ácido da fibra de sisal
Fontes de Variação GL SQ QM Teste F
Regressão 3 65,88238 21,960793 1,04 Resíduos 3 6,78818 2,26277 Falta de Ajuste 1 5,19266 5,19266 Erro Puro 2 1,59552 0,79776 Total 6 72,67056 %R² 90,66 Ftab = 9,28 Fcal = 9,70 GL - Grau de liberdade; SQ - Soma dos quadrados; QM – Média quadrática dos desvios; Teste F – (Fcal/ Ftab)
De acordo com o valor do teste F, onde o Fcal> Ftab o modelo é estatisticamente significativo, para um nível de confiança de 95% e coeficiente de determinação de 90,66%, onde foi constatado que as variáveis independentes contribuem para o aumento da concentração de xilose. Segundo Rodrigues e Lemma (2014) quando o Fcal> Ftab, ou seja, sua
razão é maior que 1, a hipótese nula é rejeitada e o modelo é significativo. Dessa forma, é possível gerar a superfície de resposta do modelo matemático para o experimento proposto.
A Figura 24, apresenta a superfície de resposta para a variável concentração de xilose, onde é possível observar que o teor de xilose é máximo, no intervalo estudado, quando a concentração de ácido sulfúrico e temperatura são máximas.
Figura 24 – Superfície de resposta para a concentração de xilose no pré-tratamento ácido da fibra de sisal
A reação do pré-tratamento pode ser descrita pelo mecanismo de hidrólise ácida. Tamanini (2004) cita que os mecanismos de hidrólise ácida de materiais lignocelulósicos são bastante complexos, visto que, a amostra e solução ácida estão em estados físicos diferentes, além de impedimentos causados pelo arranjo molecular do complexo lignocelulósico. De forma resumida, a Figura 25 demonstra o mecanismo de reação da hidrólise ácida, que se inicia com a difusão dos prótons na matriz polimérica úmida e depois ocorre a protonação do oxigênio da ligação glicosídica (1). Posteriormente ocorre a quebra da ligação e geração de um carbocátion como intermediário (2). Em seguida, uma molécula de água realiza um ataque nucleofílico ao carbocátion (3) e por fim, a regeneração do ácido (4,5) e geração do monômero de açúcar para encerrar a etapa de despolimerização. De forma similar este mecanismo pode ocorrer no interior da matriz para produção de glicose da fração celulósica, ou outro produto dependendo da posição da ligação rompida.
Figura 25 – Mecanismo de hidrólise catalisada por ácido
Fonte – Adaptada de Ogeda e Petri (2010)
4.2.2 Pré-tratamento alcalino e básico seguido de ácido
Os resultados do pré-tratamento alcalino estão expressos na Tabela 9. O tratamento básico tem por finalidade principal a remoção da lignina do complexo da amostra lignocelulósica, deixando a estrutura da hemicelulose e celulose mais exposta para um posterior ataque ácido ou enzimático.
Tabela 9: Concentrações de açúcares e inibidores nos licores do pré-tratamento alcalino Exp. Temperatura (ºC) Concentração (%) Xilose (g/L) Glicose (g/L) Ac. Acético (g/L) 1 90 4 0 0 3,1 2 120 4 0,006 0,003 5,1
Verifica-se que em ambas as condições não houve remoção de carboidratos, apenas solubilização de grupos acetil da hemicelulose e lignina para formação do ácido acético em grande quantidade. Além destes grupos é provável a degradação de outros componentes hemicelulósicos para formação do ácido acético. Cruz et al. (2000) trabalhando com
fermentação de resíduos agrícolas para produção de xilitol observaram a formação de ácido acético após o pré-tratamento, proveniente de grupos acetil da fração hemicelulósica. Assim como também constatado por Wang et al. (2015) que após o tratamento básico uma grande quantidade de ácido acético presente no licor hidrolisado.
Os resíduos sólidos obtidos depois do tratamento alcalino foram filtrados, lavados com água destilada e secos em estufa na temperatura de 60 ºC. Depois desse procedimento os mesmos foram submetidos a um pré-tratamento com ácido sulfúrico, na melhor condição do planejamento do item 4.2.1, que foi 2,5% de e 120 ºC de temperatura (Tabela 10). Tabela 10: Tratamento básico seguido de ácido para a fibra de sisal
Exp. Temperatura (ºC) Concentração (%) Xilose (g/L) Glicose (g/L) Ac. Acético (g/L) 1 120 2,5 3,3 4,0 0,01 2 120 2,5 1,7 3,0 0,002
Observa-se que os teores de xilose obtidos durante o tratamento básico seguido de ácido são inferiores aos encontrados para o pré-tratamento ácido individualmente. Tanto na condição 1 quanto na 2 os valores não ultrapassaram 3,3 g/L de xilose, enquanto a pré- hidrólise ácida apresentou valores de 13,145 g/L de xilose. Diferente do tratamento alcalino, nesta segunda etapa não houve formação de ácido acético ou qualquer outro inibidor da fermentação, mas provocou a quebra de ligações glicosídicas e formação de glicose no licor hidrolisado. Dessa forma, o pré-tratamento mais vantajoso nas condições do presente trabalho foi o pré-tratamento ácido na concentração de 2,5% e temperatura de 120 ºC.